《工业自动化控制系统》课件

工业自动化控制系统欢迎来到工业自动化控制系统的世界！本课程将带您深入了解工业自动化的核心概念、关键技术和实际应用。从自动化控制系统的基础组成到各种控制算法的设计与实现，我们将一步步揭开工业自动化的神秘面纱。通过本课程的学习，您将掌握工业自动化领域的核心技能，为未来的职业发展奠定坚实的基础。课程概述课程目标本课程旨在使学生掌握工业自动化控制系统的基本原理、关键技术和应用方法。通过理论学习和实践操作，培养学生分析和解决实际问题的能力，为从事工业自动化领域的工作打下坚实的基础。课程内容课程内容涵盖工业自动化的定义与发展、自动化控制系统的组成、控制系统的分类、传感器技术、执行器技术、控制器技术、控制算法、过程控制、运动控制、工业网络、自动化仪表、系统集成、安全与可靠性、标准与规范以及案例分析等。学习方法本课程采用理论讲解、案例分析、实验操作和项目实践相结合的教学方法。鼓励学生积极参与课堂讨论，自主学习和探索，培养独立思考和解决问题的能力。工业自动化的定义与发展1工业自动化的定义工业自动化是指在工业生产过程中，利用自动化设备和系统，实现生产过程的自动控制、自动调节、自动检测和自动管理，从而提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量和改善劳动条件。2工业自动化的发展历程工业自动化经历了从机械自动化到电气自动化，再到计算机自动化和智能自动化的发展历程。随着科技的不断进步，工业自动化水平不断提高，应用范围不断扩大。3工业自动化的重要意义工业自动化是现代工业发展的重要趋势和必然选择。它对于提高企业竞争力、推动产业升级、实现可持续发展具有重要意义。工业自动化可以帮助企业提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量、改善劳动条件和减少环境污染。自动化控制系统的组成传感器传感器是自动化控制系统的“感觉器官”，用于检测生产过程中的各种参数，如温度、压力、流量、液位等。传感器将这些参数转换为电信号，以便控制器进行处理。执行器执行器是自动化控制系统的“执行机构”，用于根据控制器的指令，控制生产过程中的各种设备，如电机、阀门、气缸等。执行器将电信号转换为机械运动或能量输出，从而实现对生产过程的控制。控制器控制器是自动化控制系统的“大脑”，用于接收来自传感器的信号，根据预设的控制算法，计算出控制信号，并将控制信号发送给执行器。控制器可以是PLC、DCS或计算机控制系统。通信网络通信网络是自动化控制系统的“神经系统”，用于实现传感器、执行器和控制器之间的信息交换。通信网络可以是工业以太网、现场总线或无线传感器网络。控制系统的分类：开环与闭环开环控制系统开环控制系统是指控制器的输出信号直接作用于被控对象，而没有反馈信号的控制系统。开环控制系统的优点是结构简单、成本低廉，但其控制精度较低，抗干扰能力较差。闭环控制系统闭环控制系统是指控制器的输出信号作用于被控对象后，被控对象的输出信号通过传感器反馈回控制器，控制器根据反馈信号调整输出信号，从而实现对被控对象的精确控制。闭环控制系统的优点是控制精度高、抗干扰能力强，但其结构复杂、成本较高。传感器技术1传感器的定义传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。2传感器的作用传感器在自动化控制系统中起着至关重要的作用，它是自动化控制系统的“感觉器官”，为控制器提供准确可靠的输入信息，从而保证控制系统的正常运行。3传感器的发展趋势传感器技术正朝着微型化、智能化、网络化和集成化的方向发展。MEMS传感器、智能传感器、无线传感器网络等新技术不断涌现，为工业自动化带来了新的发展机遇。传感器的原理与应用传感器的基本原理传感器的基本原理是利用物理、化学或生物效应，将被测量转换为电信号或其他可测量的信号。不同的传感器具有不同的原理，如电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、光电式传感器等。传感器的主要性能指标传感器的主要性能指标包括灵敏度、线性度、精度、重复性、稳定性、响应时间、分辨率和量程等。这些指标直接影响着传感器的测量性能和应用效果。传感器的应用领域传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗诊断、智能家居、航空航天等领域。随着物联网、大数据和人工智能等技术的快速发展，传感器的应用范围将进一步扩大。常用传感器类型：温度传感器热电偶基于塞贝克效应，测量范围广，但精度较低。1热电阻基于电阻随温度变化特性，精度较高，但响应速度较慢。2集成温度传感器集成电路封装，体积小、功耗低、精度高。3红外温度传感器非接触式测量，适用于高温和移动物体测量。4常用传感器类型：压力传感器1压阻式基于半导体材料的压阻效应。2电容式基于电容随压力变化特性。3压电式基于压电材料的压电效应。4扩散硅式基于硅材料的扩散效应。压力传感器用于测量气体或液体的压力。不同类型的压力传感器具有不同的测量范围、精度和适用环境。在选择压力传感器时，需要根据具体的应用需求进行综合考虑。常用传感器类型：流量传感器1涡轮式测量精度高，适用于洁净流体。2电磁式无压损，适用于导电流体。3超声波式非接触式，适用于多种流体。4差压式结构简单，成本低廉。流量传感器用于测量流体的流量。不同类型的流量传感器具有不同的测量范围、精度和适用流体。在选择流量传感器时，需要根据具体的应用需求进行综合考虑。常用传感器类型：液位传感器浮球式浮力原理简单液位测量静压式压力与液位关系水箱液位测量超声波式超声波反射非接触液位测量雷达式雷达波反射高精度液位测量液位传感器用于测量液体的液位。不同类型的液位传感器具有不同的测量范围、精度和适用液体。在选择液位传感器时，需要根据具体的应用需求进行综合考虑。执行器技术3种类电动、气动、液压重要作用控制生产过程设备广泛应用工业自动化各领域执行器是自动化控制系统中的重要组成部分，它根据控制器的指令，控制生产过程中的各种设备，从而实现对生产过程的控制。执行器的性能直接影响着自动化控制系统的控制效果和生产效率。电动执行器：步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的控制电机。其特点是控制精度高、可靠性好、易于控制。步进电机广泛应用于数控机床、机器人、自动化仪表等领域。电动执行器：伺服电机高精度闭环控制，定位精确。快速响应动态性能优异。高力矩适用于重载场合。伺服电机是一种能够精确控制转速和位置的电机。其特点是控制精度高、响应速度快、力矩大。伺服电机广泛应用于机器人、数控机床、自动化生产线等领域。气动执行器气缸结构简单，成本低廉，输出力大，但控制精度较低。适用于开关控制和简单位置控制。气动马达体积小、重量轻、功率大，但噪声较大。适用于高速旋转和需要防爆的场合。气动执行器是利用压缩空气作为动力源的执行器。其特点是结构简单、成本低廉、输出力大。气动执行器广泛应用于自动化生产线、机器人、夹具等领域。液压执行器1液压缸输出力巨大，但体积较大，成本较高。适用于重载和高精度控制。2液压马达输出扭矩大，但效率较低，噪声较大。适用于低速重载和需要防爆的场合。液压执行器是利用液压油作为动力源的执行器。其特点是输出力巨大、控制精度高。液压执行器广泛应用于工程机械、航空航天、船舶等领域。控制器技术PLC可编程逻辑控制器，适用于逻辑控制和顺序控制。DCS集散控制系统，适用于过程控制和大规模系统控制。计算机控制系统基于计算机的控制系统，适用于复杂控制和智能控制。控制器是自动化控制系统的“大脑”，用于接收来自传感器的信号，根据预设的控制算法，计算出控制信号，并将控制信号发送给执行器。控制器的性能直接影响着自动化控制系统的控制效果和生产效率。PLC：可编程逻辑控制器高可靠性抗干扰能力强，适应恶劣环境。易编程多种编程语言，方便灵活。易维护模块化结构，方便维修更换。PLC是一种专门为工业控制应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械或生产过程。PLC的工作原理1输入扫描读取输入模块的状态，存入输入映像区。2程序执行根据用户程序，从输入映像区读取数据，进行逻辑运算和算术运算，并将结果存入输出映像区。3输出刷新将输出映像区的数据发送到输出模块，控制外部设备。4循环执行不断重复以上三个步骤，实现对外部设备的实时控制。PLC的工作原理采用循环扫描方式，不断读取输入信号，执行用户程序，更新输出信号，从而实现对外部设备的控制。PLC具有高可靠性、易编程、易维护等优点，广泛应用于工业自动化领域。PLC的编程语言梯形图类似于继电器电路，易于理解和学习。指令表类似于汇编语言，控制灵活，效率高。功能块图图形化编程，模块化设计，易于重用。结构化文本类似于高级语言，适用于复杂算法和数据处理。PLC的编程语言包括梯形图、指令表、功能块图和结构化文本等。不同的编程语言适用于不同的控制任务和编程习惯。工程师可以根据实际需求选择合适的编程语言。PLC的应用案例自动化生产线控制物料输送、装配、检测等环节。1数控机床控制刀具运动轨迹和加工参数。2机器人控制机器人运动和执行任务。3水处理系统控制水泵、阀门和水质参数。4PLC广泛应用于自动化生产线、数控机床、机器人、水处理系统等领域。PLC的应用可以提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量和改善劳动条件。DCS：集散控制系统1监控层2控制层3现场设备层DCS是一种适用于大型过程控制的计算机控制系统。它采用分层结构，将控制功能分散到各个现场控制站，通过通信网络连接各个控制站和操作站，实现对整个生产过程的集中监控和分散控制。DCS的架构与特点1开放性采用开放式标准和协议，易于与其他系统集成。2可靠性采用冗余设计和容错技术，保证系统稳定运行。3可扩展性易于增加控制回路和功能模块，满足系统扩展需求。4易维护性采用模块化设计和远程诊断技术，方便维护和管理。DCS的架构采用分层结构，包括监控层、控制层和现场设备层。DCS具有开放性、可靠性、可扩展性和易维护性等特点，适用于大型过程控制系统。DCS的应用领域石油化工炼油、化工、乙烯等生产过程控制电力锅炉、汽轮机、发电机等控制冶金高炉、炼钢、轧钢等生产过程控制造纸制浆、造纸等生产过程控制DCS广泛应用于石油化工、电力、冶金、造纸等领域。DCS的应用可以提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量和改善劳动条件。计算机控制系统监控软件控制算法数据采集人机界面计算机控制系统是指基于计算机的控制系统。它利用计算机强大的计算能力和灵活的编程能力，实现对复杂生产过程的控制和优化。计算机控制系统广泛应用于各种工业领域。上位机监控软件实时监控实时显示生产过程参数和设备状态。数据分析对历史数据进行分析和挖掘，为优化控制提供依据。报警管理及时发现和处理异常情况，保证生产安全。上位机监控软件是指运行在上位机上的监控软件。它通过通信网络与现场设备进行数据交换，实现对生产过程的实时监控、数据分析和报警管理。上位机监控软件是计算机控制系统的重要组成部分。控制算法PID控制应用广泛，参数整定简单，但对于非线性系统控制效果较差。模糊控制无需精确数学模型，适用于非线性、时变和不确定性系统。专家控制基于专家知识和经验，适用于复杂和难以建模的系统。控制算法是指用于计算控制信号的算法。不同的控制算法适用于不同的控制对象和控制要求。在选择控制算法时，需要根据实际情况进行综合考虑。PID控制算法原理1比例（P）反映系统偏差，偏差越大，控制作用越强。2积分（I）消除静态误差，但可能引起系统不稳定。3微分（D）反映系统变化趋势，提前抑制偏差，但对噪声敏感。PID控制算法是一种应用广泛的控制算法。它通过比例、积分和微分三个环节的组合，实现对控制对象的精确控制。PID控制算法具有结构简单、参数整定方便等优点，但对于非线性系统控制效果较差。PID参数整定方法经验法基于工程师的经验和试凑，简单易行，但需要一定的经验积累。临界比例法通过实验确定系统的临界比例增益和临界振荡周期，然后根据经验公式计算PID参数。衰减曲线法通过观察系统的阶跃响应曲线，确定PID参数。优化算法利用优化算法（如遗传算法、粒子群算法）自动整定PID参数。PID参数整定是PID控制算法应用的关键环节。PID参数整定方法包括经验法、临界比例法、衰减曲线法和优化算法等。在选择PID参数整定方法时，需要根据实际情况进行综合考虑。模糊控制算法无需模型无需精确数学模型，适用于非线性、时变和不确定性系统。易于理解基于模糊规则，易于理解和修改。鲁棒性强抗干扰能力强，适应性好。模糊控制算法是一种基于模糊集合理论和模糊逻辑的控制算法。它无需精确数学模型，适用于非线性、时变和不确定性系统。模糊控制算法具有易于理解、鲁棒性强等优点，广泛应用于工业自动化领域。专家控制系统1知识库存储专家知识和经验。2推理机根据知识库和输入信息进行推理，得出控制决策。3人机界面提供与用户的交互界面，方便用户进行操作和监控。专家控制系统是一种基于人工智能技术的控制系统。它利用专家知识和经验，模拟专家的决策过程，实现对复杂和难以建模的系统的控制。专家控制系统广泛应用于电力、化工、冶金等领域。过程控制温度控制控制物料温度，保证产品质量。压力控制控制系统压力，保证安全运行。流量控制控制物料流量，满足生产需求。液位控制控制容器液位，防止溢出或空罐。过程控制是指对工业生产过程中的各种参数（如温度、压力、流量、液位等）进行控制的过程。过程控制是工业自动化的重要组成部分，它对于提高生产效率、降低生产成本、保证产品质量和改善劳动条件具有重要意义。温度控制系统设计选择传感器根据温度范围、精度和环境选择合适的温度传感器。1选择执行器根据加热或冷却需求选择合适的执行器（如加热器、冷却器）。2设计控制器根据控制要求选择合适的控制算法（如PID控制、模糊控制）。3参数整定根据控制效果调整控制参数，使系统达到最佳控制性能。4温度控制系统设计包括选择传感器、选择执行器、设计控制器和参数整定等环节。在设计温度控制系统时，需要根据实际情况进行综合考虑，以实现最佳的控制效果。压力控制系统设计1安全2稳定3精确4快速压力控制系统设计需要综合考虑安全性、稳定性、精确性和快速性等因素。在选择传感器、执行器和控制器时，需要根据实际情况进行综合考虑，以实现最佳的控制效果。同时，还需要采取必要的安全措施，防止压力过高或过低，保证系统的安全运行。流量控制系统设计1测量准确测量流量，选择合适的流量传感器。2调节精确调节流量，选择合适的调节阀。3控制实现流量的自动控制，设计合适的控制器。4优化优化控制参数，提高控制性能。流量控制系统设计需要综合考虑测量、调节、控制和优化等环节。在选择流量传感器、调节阀和控制器时，需要根据实际情况进行综合考虑，以实现最佳的控制效果。同时，还需要优化控制参数，提高控制性能。液位控制系统设计1选择液位传感器，准确测量液位。2选择调节阀或泵，调节液位。3设计控制器，实现液位的自动控制。4优化控制参数，提高控制性能。液位控制系统设计需要综合考虑测量、调节、控制和优化等环节。在选择液位传感器、调节阀或泵和控制器时，需要根据实际情况进行综合考虑，以实现最佳的控制效果。同时，还需要优化控制参数，提高控制性能。运动控制运动控制是指对机械运动的位置、速度和加速度进行控制的过程。运动控制是自动化控制的重要组成部分，广泛应用于数控机床、机器人、自动化生产线等领域。伺服控制系统设计控制器PID控制、模糊控制、神经网络控制等。反馈位置反馈、速度反馈、电流反馈等。驱动器放大控制信号，驱动伺服电机。伺服控制系统设计包括选择伺服电机、选择驱动器、设计控制器和选择反馈元件等环节。在设计伺服控制系统时，需要根据实际情况进行综合考虑，以实现最佳的控制效果。步进控制系统设计开环控制结构简单，成本低廉，但易失步，精度较低。闭环控制精度高，不易失步，但结构复杂，成本较高。步进控制系统设计包括选择步进电机、选择驱动器和设计控制器等环节。步进控制系统可以采用开环控制或闭环控制。在设计步进控制系统时，需要根据实际情况进行综合考虑，以实现最佳的控制效果。数控机床控制1刀具轨迹控制控制刀具按照预定的轨迹进行运动，完成零件的加工。2主轴转速控制控制主轴的转速，满足不同的加工需求。3进给速度控制控制刀具的进给速度，保证加工质量和效率。数控机床控制是指利用计算机控制机床的运动，完成零件的加工。数控机床控制包括刀具轨迹控制、主轴转速控制和进给速度控制等。数控机床控制可以提高加工精度、效率和自动化程度。机器人控制关节控制控制机器人的各个关节运动，实现机器人的姿态和位置控制。笛卡尔空间控制直接控制机器人的末端执行器在笛卡尔空间中的位置和姿态。力/力矩控制控制机器人与环境之间的作用力或力矩，实现精确的装配和打磨等任务。机器人控制是指利用计算机控制机器人的运动和行为。机器人控制包括关节控制、笛卡尔空间控制和力/力矩控制等。机器人控制可以实现机器人的自动化、智能化和柔性化。工业网络工业以太网高速、实时、可靠，应用广泛。现场总线成本低廉，适用于小型系统。无线传感器网络灵活、方便，适用于环境监测。工业网络是指用于工业自动化系统的通信网络。工业网络可以实现设备之间的数据交换和信息共享，提高系统的自动化程度和生产效率。常见的工业网络包括工业以太网、现场总线和无线传感器网络等。工业以太网1标准以太网TCP/IP协议，传输速度快，但实时性较差。2实时以太网改进以太网协议，提高实时性，满足工业控制需求。3工业以太网交换机支持VLAN、QoS等功能，提高网络性能和安全性。工业以太网是指用于工业自动化系统的以太网技术。工业以太网具有高速、实时、可靠等优点，广泛应用于工业控制、数据采集和视频监控等领域。工业以太网包括标准以太网、实时以太网和工业以太网交换机等。现场总线技术CAN总线汽车电子、工业控制。ProfibusPLC、DCS。Modbus仪表、传感器。现场总线是一种用于工业自动化系统的串行通信网络。现场总线具有成本低廉、易于安装和维护等优点，适用于小型自动化系统。常见的现场总线包括CAN总线、Profibus和Modbus等。无线传感器网络传感器节点采集数据，进行简单处理。1汇聚节点收集传感器节点的数据，转发到基站。2基站接收汇聚节点的数据，进行分析和处理。3管理平台显示和管理传感器网络的数据。4无线传感器网络是一种由大量无线传感器节点组成的自组织网络。无线传感器网络具有灵活、方便、易于部署等优点，适用于环境监测、智能农业和智能家居等领域。无线传感器网络包括传感器节点、汇聚节点、基站和管理平台等。自动化仪表1测量仪表2调节仪表3控制仪表4显示仪表自动化仪表是指用于工业自动化系统的测量、调节、控制和显示仪表。自动化仪表是自动化控制系统的“眼睛”和“手”，为自动化控制系统提供准确可靠的数据和执行指令。常见的自动化仪表包括测量仪表、调节仪表、控制仪表和显示仪表等。常用自动化仪表1压力变送器测量压力，将压力信号转换为电信号。2温度变送器测量温度，将温度信号转换为电信号。3流量计测量流量，将流量信号转换为电信号。4液位计测量液位，将液位信号转换为电信号。常用的自动化仪表包括压力变送器、温度变送器、流量计和液位计等。这些仪表广泛应用于工业自动化系统的各个环节，为自动化控制系统提供准确可靠的数据。仪表的安装与维护安装选择合适的安装位置和方式，保证仪表的正常运行。校验定期校验仪表，保证测量精度。维护定期维护仪表，清洁、润滑、紧固等。更换及时更换损坏的仪表，保证系统的正常运行。仪表的安装与维护是保证自动化仪表正常运行和测量精度的重要环节。仪表的安装需要选择合适的安装位置和方式，仪表的维护需要定期校验、清洁、润滑和紧固等。同时，还需要及时更换损坏的仪表，保证系统的正常运行。故障诊断与排除传感器故障执行器故障控制器故障通信故障故障诊断与排除是保证自动化控制系统正常运行的重要环节。常见的故障包括传感器故障、执行器故障、控制器故障和通信故障等。对于不同的故障，需要采取不同的诊断方法和排除措施，以尽快恢复系统的正常运行。系统集成规划确定系统目标、功能和性能指标。设计设计系统架构、硬件配置和软件功能。实施安装设备、编写程序、调试系统。系统集成是指将不同的自动化设备和系统连接起来，实现信息的共享和协同工作，从而提高生产效率和管理水平。系统集成包括规划、设计和实施等环节。自动化系统集成流程需求分析明确用户需求，确定系统目标和功能。方案设计设计系统架构、硬件配置和软件功能。设备选型选择合适的自动化设备和仪表。软件开发编写控制程序和监控软件。自动化系统集成流程包括需求分析、方案设计、设备选型、软件开发、系统调试和系统验收等环节。在进行自动化系统集成时，需要严格按照流程进行，以保证系统的质量和可靠性。系统调试与优化1硬件调试检查设备连接是否正确，设备是否正常工作。2软件调试检查程序是否正确，参数是否合理。3系统联调检查各个设备和系统之间的协同工作是否正常。4系统优化优化控制参数，提高系统性能。系统调试与优化是保证自动化控制系统正常运行和性能优化的重要环节。系统调试包括硬件调试、软件调试和系统联调等，系统优化包括优化控制参数、提高系统性能等。安全与可靠性安全设计采用安全设备和技术，防止事故发生。可靠性设计采用冗余设计和容错技术，提高系统可靠性。安全管理建立安全管理制度，加强安全培训。安全与可靠性是自动化控制系统的重要指标。在设计和运行自动化控制系统时，需要充分考虑安全与可靠性因素，采取有效的安全措施和可靠性设计，保证系统的安全稳定运行。自动化系统的安全设计安全传感器检测危险情况，发出报警或停止设备运行。安全继电器控制安全回路，保证设备安全停止运行。安全PLC执行安全功能，保证系统安全运行。自动化系统的安全设计需要采用安全传感器、安全继电器和安全PLC等安全设备，检测危险情况，发出报警或停止设备运行，保证系统安全运行。故障诊断与容错技术1故障检测检测系统中的故障，发出报警。2故障隔离将故障隔离，防止故障扩散。3故